(57)【要約】【課題】  積層体の積層方向に延びるクラックの発生を防止することができる積層型圧電素子を提供する。【解決手段】  積層型圧電素子１は積層体２を備えている。積層体２は、圧電体３を介して内部電極４Ａと内部電極４Ｂとが交互に複数ずつ積層されてなる積層ブロック５を複数有している。内部電極４Ａは、積層体２の側面２ｂよりも内側から側面２ａに露出するように形成され、内部電極４Ｂは、積層体２の側面２ａよりも内側から側面２ｂに露出するように形成されている。積層ブロック５の内部電極４Ａと異なる積層ブロック５の内部電極４Ａとのずれ（積層体２の側面２ａ，２ｂの対向方向のずれ）、積層ブロック５の内部電極４Ｂと異なる積層ブロック５の内部電極４Ｂとの同方向のずれは、何れも６０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１内部電極と第２内部電極とが圧電体を介して交互に複数ずつ積層されてなる構造を有する積層体を備えた積層型圧電素子であって、
前記積層体は、前記各第１内部電極同士の積層方向に直交する方向のずれ及び前記各第２内部電極同士の積層方向に直交する方向のずれが何れも６０μｍ以下となるように構成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
前記積層体は、前記各第１内部電極同士の積層方向に直交する方向のずれ及び前記各第２内部電極同士の積層方向に直交する方向のずれが何れも３０μｍ以下となるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
前記積層体は、前記第１内部電極と前記第２内部電極とが前記圧電体を介して交互に積層されてなる複数の積層ブロックを積み上げて形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の積層型圧電素子。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば燃料噴射装置等に用いられる積層型圧電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の積層型圧電素子としては、例えば特許文献１に記載されているように、複数の圧電セラミック層と複数の内部電極層とを交互に積層してなる駆動部と、この駆動部の側面に設けられた側面電極とを備えたものが知られている。
【特許文献１】特開２００２−３１４１５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えば自動車エンジン用の燃料噴射装置は、厳しい環境下で使用されるものである。このため、燃料噴射装置に用いられる積層型圧電素子としては、高い信頼性が要求される。ところで、積層型圧電素子の積層体に積層方向に延びるクラックが発生すると、異極の内部電極同士がショートし、素子の絶縁破壊等を引き起こすことがある。しかし、上記従来技術においては、そのような積層方向に生じるクラックについては何ら考慮がなされていない。
【０００４】
本発明の目的は、積層体の積層方向に延びるクラックの発生を防止することができる積層型圧電素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、積層体に生じるクラックについて鋭意研究を重ねた末、積層体の積層方向に直交する方向に沿った同一極の内部電極同士の位置ずれ（積層ずれ）が積層体の積層方向に延びるクラックの発生に影響を与えていることを見出した。そして、更に検討を重ねて試行錯誤を繰り返した結果、内部電極同士の積層ずれの最適範囲を見つけ出した。本発明は、このような知見に基づいて成されたものである。
【０００６】
即ち、本発明は、第１内部電極と第２内部電極とが圧電体を介して交互に複数ずつ積層されてなる構造を有する積層体を備えた積層型圧電素子であって、積層体は、各第１内部電極同士の積層方向に直交する方向のずれ及び各第２内部電極同士の積層方向に直交する方向のずれが何れも６０μｍ以下となるように構成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
このように各第１内部電極同士のずれ及び各第２内部電極同士のずれの範囲を規定することにより、積層体にかかる積層方向の引っ張り応力の集中が低減されるため、積層体にクラック自体が入りにくくなる。これにより、積層体に積層方向のクラックが生じることを防止できる。
【０００８】
好ましくは、積層体は、各第１内部電極同士の積層方向に直交する方向のずれ及び各第２内部電極同士の積層方向に直交する方向のずれが何れも３０μｍ以下となるように構成されている。これにより、積層体にかかる積層方向の引っ張り応力の集中がより低減されるため、積層体に積層方向のクラックが生じることを一層防止できる。
【０００９】
また、好ましくは、積層体は、第１内部電極と第２内部電極とが圧電体を介して交互に積層されてなる複数の積層ブロックを積み上げて形成されている。例えば燃料噴射装置に用いられる積層型圧電素子では、大きな変位量を必要とするため、積層体の積層数が多くなる。このため、そのような多層の積層型圧電素子を得る場合には、第１内部電極と第２内部電極とが圧電体を介して交互に積層されてなる積層ブロックを複数作製し、これらの積層ブロックを更に積み重ねるといった手法を採用するのが好適である。各積層ブロックは、積層数を必要以上に多くしなくて済むため、市販の積層器を使って作ることができる。積層器を用いた圧電体の積層では、各層の位置合わせを機械的に行うため、一つの積層ブロック内において第１内部電極同士のずれ及び第２内部電極同士のずれは殆ど生じない。このため、上記のような内部電極同士のずれ量の規定は、各積層ブロックの間でのみ行えば良いことになる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、積層体の積層方向に延びるクラックの発生が防止されるので、第１内部電極と第２内部電極との電気的ショートによる積層型圧電素子の絶縁破壊を回避することができる。これにより、積層型圧電素子の信頼性及び耐久性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係わる積層型圧電素子の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係わる積層型圧電素子の一実施形態を示す概略斜視図であり、図２は、その積層型圧電素子の側面図である。各図において、本実施形態の積層型圧電素子１は、例えば自動車に搭載されるエンジンのインジェクタ（燃料噴射装置）に用いられるものである。
【００１３】
積層型圧電素子１は、多角柱状（ここでは四角柱状）の積層体２を備えている。積層体２は、圧電体３を介して内部電極４Ａと内部電極４Ｂとが交互に複数ずつ積層されてなる積層ブロック５を複数有している。積層体２は、これらの積層ブロック５を積み重ね、更に複数の圧電体３からなる上蓋部６と下蓋部７とで上下から挟み込むように構成されている。圧電体３は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とする圧電セラミック材料で形成されている。内部電極４Ａ，４Ｂは、Ａｇ，Ｐｄを主成分とする導電材料で形成されている。
【００１４】
積層体２の上面及び下面の寸法は、例えば７ｍｍ×７ｍｍ程度である。積層体２の高さは、例えば３０ｍｍ程度である。このうち、各積層ブロック５の厚さは、例えば２〜３ｍｍ程度であり、上蓋部６及び下蓋部７の厚さは、各々例えば１ｍｍ程度である。また、圧電体３の厚さは、１層当たり８０〜１００μｍ程度であり、内部電極４Ａ，４Ｂの厚さは、例えば０．５〜５．０μｍ程度である。
【００１５】
積層体２は、互いに対向する側面２ａ，２ｂを有している。これらの側面２ａ，２ｂの対向方向は、積層体２の積層方向に対して直交している。内部電極４Ａは、積層体２の側面２ｂよりも内側から側面２ａに露出するように形成され、内部電極４Ｂは、積層体２の側面２ａよりも内側から側面２ｂに露出するように形成されている。これにより、内部電極４Ａ，４Ｂの一部が互いに重なり合うこととなる。圧電体３において、積層体２の積層方向に隣り合う内部電極４Ａ，４Ｂに挟まれる部分は、内部電極４Ａ，４Ｂに電圧を印加したときに積層体２の積層方向に伸縮動作（変位）する圧電活性部３ａである。圧電体３における他の部分は、内部電極４Ａ，４Ｂに電圧を印加しても伸縮動作しない領域である。
【００１６】
積層ブロック５の内部電極４Ａと異なる積層ブロック５の内部電極４Ａとのずれ（積層体２の側面２ａ，２ｂの対向方向のずれ）Ｄは、６０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下である（図３参照）。また、積層ブロック５の内部電極４Ｂと異なる積層ブロック５の内部電極４Ｂとの同方向のずれについても同様である。この内部電極４Ａ同士のずれ量及び内部電極４Ｂ同士のずれ量については、後で詳述する。なお、内部電極４Ａから側面２ｂまでの長さＬは、ほぼ０．５ｍｍ程度である（図３参照）。また、内部電極４Ｂから側面２ａまでの長さについても同様である。
【００１７】
積層体２の側面２ａには、各内部電極４Ａと電気的に接続された外部電極８Ａが設けられ、積層体２の側面２ｂには、各内部電極４Ｂと電気的に接続された外部電極８Ｂが設けられている。
【００１８】
外部電極８Ａ，８Ｂは、積層体２の側面２ａ，２ｂの一部を覆うように積層体２の積層方向に延在する電極部９と、これらの電極部９の外側に配置された矩形波状の電極部１０とからなっている。電極部１０は、積層体２の積層方向に対して伸縮性（柔軟性）をもつように電極部９にスポット的に接合されている。これにより、各内部電極４Ａ同士の電気的接続及び各内部電極４Ｂ同士の電気的接続を確保しつつ、圧電体３の伸縮動作の阻害を抑えることができる。なお、電極部９，１０同士の接合は、半田付け、溶接、導電性接着剤等により行う。電極部９は、例えばＡｇ、Ａｕ及びＣｕのいずれかを主成分とする導電材料で形成されている。電極部１０は、例えばＣｕ及びその合金、Ｎｉ及びその合金、ベリリウム銅等で形成されている。
【００１９】
このような積層型圧電素子１において、外部電極８Ａ，８Ｂ間に所定の電圧を印加すると、外部電極８Ａ，８Ｂと接続された内部電極４Ａ，４Ｂ間に電圧が印加されることになる。これにより、内部電極４Ａ，４Ｂに挟まれた圧電体３（圧電活性部３ａ）に電界が生じ、この圧電活性部３ａが伸縮し、これに伴って積層体２が積層方向に変位する。
【００２０】
次に、上述した積層型圧電素子１を製造する方法について図４により説明する。まず、ＰＺＴ等を主成分としたセラミック粉体を用意し、これに有機バインダ及び有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、例えばドクターブレード法によって上記ペーストをキャリアフィルム上に塗布することにより、上記の圧電体３となるセラミックグリーンシートを形成する（手順１０１）。
【００２１】
続いて、グリーンシートに上記の内部電極４Ａとなる電極パターンを形成すると共に、別のグリーンシートに上記の内部電極４Ｂとなる電極パターンを形成する（手順１０２）。このとき、例えばＡｇ：Ｐｄ＝７：３の比率で構成された導電材料と有機バインダ及び有機溶剤等とを混合したペーストを作製した後、例えばスクリーン印刷法によりグリーンシート上に電極パターンを印刷する。
【００２２】
続いて、電極パターンが形成されたグリーンシートを所定の枚数だけ積層することで、上記の積層ブロック５となるグリーン積層ブロックを複数作製する（手順１０３）。このグリーン積層ブロックの作製は、専用の積層器を用いて行う。この場合には、各グリーンシート同士の位置合わせが機械的に行われる事になるため、上記の内部電極４Ａとなる電極パターン同士の積層ずれ及び上記の内部電極４Ｂとなる電極パターン同士の積層ずれは、殆ど生じない。また、図示されていないが、電極パターンが形成されていないグリーンシートを所定の枚数だけ積層することで、上記の上蓋部６及び下蓋部７となるグリーン蓋体を形成する。
【００２３】
そして、グリーン積層ブロックを、加熱しながら所定の圧力（例えば３０ＭＰａ）で積層方向にプレスする（手順１０４）。このとき、加熱温度は、例えば７０℃程度であり、加熱時間は、例えば１０秒程度である。
【００２４】
続いて、複数のグリーン積層ブロックと上下のグリーン蓋体とを積層することで、グリーン積層体を作製する（手順１０５）。このとき、各グリーン積層ブロックと上下のグリーン蓋体とを手動で整列させながら積み重ねる。
【００２５】
そして、グリーン積層体を、加熱しながら所定の圧力（例えば１００ＭＰａ）で積層方向にプレスする（手順１０６）。このとき、加熱温度は、例えば８０℃程度であり、加熱時間は、例えば２０分程度である。続いて、ダイヤモンドブレード等を用いてプレス後のグリーン積層体を所定の寸法に切断する（手順１０７）。
【００２６】
続いて、切断後のグリーン積層体をセッターに載せ、当該グリーン積層体の脱脂（脱バインダ）を所定の温度（例えば４００℃程度）で行う（手順１０８）。そして、脱脂後のグリーン積層体が載置されたセッターを密閉こう鉢内に入れ、当該グリーン積層体の焼成を行い、焼結体を得る（手順１０９）。このとき、焼成温度は、例えば１１００℃程度であり、焼成時間は、例えば２時間程度である。その後、図示されていないが、焼結体の研磨を行うことで、所定の寸法を有する上記の積層体２が得られる。
【００２７】
続いて、積層体２の側面２ａに外部電極８Ａを形成すると共に、積層体２の側面２ｂに外部電極８Ｂを形成する（手順１１０）。具体的には、まず例えばＡｇを主成分とする導電ペーストを積層体２の側面２ａ，２ｂにスクリーン印刷した後、焼付処理等を行うことで、側面２ａ，２ｂに電極部９を形成する。そして、波状に延びる電極部１０を、例えば半田付けにより電極部９と接合する。なお、電極部１０は、例えばベリリウム銅からなる板材を矩形波形状に加工し、ニッケルめっきとスズめっきとを施すことによって得られる。
【００２８】
最後に、例えば温度１２０℃の環境下で、圧電体３の厚みに対する電界強度が２ｋＶ／ｍｍとなるように所定の電圧を例えば３分間印加することにより、分極処理を行う（手順１１１）。これにより、積層型圧電素子１が完成する。
【００２９】
ところで、上述した製法によって得られた積層型圧電素子１のスクリーニングを実施すると、図５に示すように、積層体２にクラックＣが発生していることがある。なお、図５は、スクリーニング条件として、周波数２００Ｈｚの矩形波電圧２００Ｖを内部電極４Ａ，４Ｂに５分間印加して、積層型圧電素子１を変位動作させた後の状態を示したものである。
【００３０】
この図では、異なる積層ブロック５の内部電極４Ｂ同士がずれている。つまり、各積層ブロック５同士の積層ずれが起きている。また、互いに積層ずれが生じている各積層ブロック５の境界部付近にクラックＣが入り、そのクラックＣが更に積層体２の積層方向に延びている。また、クラックＣは、積層ずれが生じている積層ブロック５における積層方向の中央部付近にも入っている。なお、このようなクラックＣの発生は、積層体２の高さが２０ｍｍ以上、積層体２の上面の一辺が１０ｍｍ以下である場合に、特に顕著であることが分かった。
【００３１】
このように積層体にクラックが入る原因を究明すべく、有限要素法によるシミュレーションを行った。具体的には、図６に示すように、積層ブロック単位で積層ずれがあると仮定した場合に、積層体を変位動作させた時に積層体に加わる積層方向の引っ張り応力についての解析を行った。なお、図６において、点線Ｐは、互いに積層ずれを起こしている各積層ブロックの境界を表す線であり、１点鎖線Ｑは、各積層ブロックにおける同極の内部電極の端を結んだ線である。また、図中のハッチング部Ｒは、積層体に加わる積層方向の引っ張り応力が強い部分を示している。
【００３２】
この解析結果から、互いに積層ずれを起こしている各積層ブロックの境界部付近と、積層ずれを起こしている積層ブロックにおける積層方向の中央部付近とに、積層方向の引っ張り応力が集中していることが分かる。つまり、各積層ブロック同士の積層ずれがあるときに、積層方向の引っ張り応力が集中している箇所は、上記のクラックの発生位置（図５参照）とほぼ一致している。
【００３３】
以上のことから、積層体２において各積層ブロック５同士の積層ずれが大きいと、内部電極４Ａ，４Ｂに電圧を印加して積層体２を変位動作させたときに、各積層ブロック５の境界部付近に積層方向の引っ張り応力が集中するため、その部分から積層体２にクラックが入りやすくなると思われる。そして、更に積層体２の変位動作が繰り返し行われると、そのクラックが積層体２の積層方向に延びていくと考えられる。このような積層体２の積層方向のクラックが発生すると、積層体２に若干含まれる水分等を介して内部電極４Ａ，４Ｂ間に電流が流れ、内部電極４Ａ，４Ｂのショート不良を引き起こし、積層型圧電素子１の絶縁破壊が発生してしまう。
【００３４】
そこで、上述したスクリーニングによって、各積層ブロック同士の積層ずれ量と素子の良品率（絶縁破壊が起こらなかった確率）との関係について調べた。その結果を図７に示す。同図に示す結果から、各積層ブロック同士の積層ずれ、つまり各積層ブロックの同一極の内部電極同士の位置ずれがクラックの発生に影響し、ひいては素子の品質に影響を及ぼすことが明らかとなった。図７から分かるように、各積層ブロック同士の積層ずれが６０μｍ以下のときは、素子の良品率が約９０％以上であり、各積層ブロック同士の積層ずれが３０μｍ以下のときは、素子の良品率が約９６％以上である。
【００３５】
従って、各積層ブロック５同士の積層ずれは、前述したように６０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下とする。これを満足するためには、積層型圧電素子１の製造工程において積層体２を作製する際に、例えば画像処理等を用いて各グリーン積層ブロック同士の位置合わせを精密に行う。
【００３６】
このように各積層ブロック５同士の積層ずれ量を規定することより、内部電極４Ａ，４Ｂに電圧を印加して積層体２を変位動作させたときに、各積層ブロック５の境界部付近にかかる積層方向の引っ張り応力が抑えられ、当該箇所にクラックが入りにくくなる。これにより、積層体２に積層方向に延びるクラックが入ることが防止されるため、内部電極４Ａ，４Ｂが電気的にショートして積層型圧電素子１の絶縁破壊を引き起こすことを回避できる。従って、積層型圧電素子１が自動車等といった厳しい環境下で使用される場合であっても、積層型圧電素子１の信頼性を向上させることができる。
【００３７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、圧電体３及び内部電極４Ａ，４Ｂを有する複数の積層ブロック５を積み重ねることで、積層体２を形成する構成としたが、そのような積層ブロック５を作製せずに、例えば内部電極４Ａが形成された圧電体３と内部電極４Ｂが形成された圧電体３とを１つずつ積層して積層体２を形成しても良い。この場合には、各内部電極４Ａ同士のずれ及び各内部電極４Ｂ同士のずれを６０μｍ以下とする。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係わる積層型圧電素子の一実施形態を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示した積層型圧電素子の側面図である。
【図３】図２に示した積層型圧電素子の部分拡大図である。
【図４】図１に示した積層型圧電素子を製造する工程を示すフローチャートである。
【図５】積層体における各積層ブロック同士の積層ずれと、積層体に生じたクラックとを示す図である。
【図６】積層ブロック単位の積層ずれがある場合に、積層体を変位させた時に積層体に加わる積層方向の引っ張り応力の解析結果を示す図である。
【図７】各積層ブロック同士の積層ずれ量と素子の良品率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１…積層型圧電素子、２…積層体、３…圧電体、４Ａ…内部電極（第１内部電極）、４Ｂ…内部電極（第２内部電極）、５…積層ブロック、Ｄ…異なる積層ブロック５の内部電極４Ａ同士のずれ量。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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